Post on 06-Nov-2020
Grundlagen der Computervernetzung Protokolle und Referenzmodelle
7. FoliensatzBetriebssysteme und Rechnernetze
Prof. Dr. Christian Baun
Frankfurt University of Applied Sciences(1971–2014: Fachhochschule Frankfurt am Main)Fachbereich Informatik und Ingenieurwissenschaften
christianbaun@fb2.fra-uas.de
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Grundlagen der Computervernetzung Protokolle und Referenzmodelle
Heute
Organisatorisches zur VorlesungGrundlagen der Computervernetzung
Parallele/serielle DatenübertragungRichtungsabhängigkeit der DatenübertragungBitrate, BaudrateBandbreite, Latenz
ProtokolleTCP/IP-ReferenzmodellHybrides ReferenzmodellOSI-Referenzmodell
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Grundlagen der Computervernetzung Protokolle und Referenzmodelle
Einordnung der Computernetze in die Informatik
Computernetze gehören zur praktischen Informatik und technischen Informatik
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Grundlagen der Computervernetzung Protokolle und Referenzmodelle
Zwingend nötige Elemente für Computernetzwerke
Für den Aufbau und Betrieb eines Computernetzwerks sind nötig:1 ≥ 2 Endgeräte mit Netzwerkdiensten
Die Rechner in einem Computernetz sollen miteinander kommunizierenoder gemeinsam Ressourcen nutzenEin Netzwerkdienst stellt einen Dienst (Service) zur Kommunikation odergemeinsamen Ressourcennutzung bereit
2 Übertragungsmedium zum Datenaustausch (siehe Foliensatz 8)Gängige Übertragungsmedien für leitungsgebundene Netze sind elektrischeLeiter (Twisted-Pair-Kabel oder Koaxialkabel) und LichtwellenleiterAuch nicht-leitungsgebundene (drahtlose) Übertragung ist möglich
3 Netzwerkprotokolle (siehe Folie 12)Regeln, die festlegen, wie Rechner miteinander kommunizieren können
Regeln (Netzwerkprotokolle) sind zwingend nötig. Ansonsten können sich dieKommunikationspartner nicht verstehen. Man stelle sich einen Telefonanruf ins Ausland vor. DieVerbindung kommt zustande, aber kein Teilnehmer versteht die Sprache des anderen. Nur wennbeide Kommunikationspartner die gleiche Sprache sprechen, ist Kommunikation möglich
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Grundlagen der Computervernetzung Protokolle und Referenzmodelle
Parallele Datenübertragung Bildquelle: http://www.elektron-bbs.de und Google
Kommunikation zwischen Rechnern ist mit paralleler und seriellerDatenübertragung möglichBei paralleler Datenübertragung gibt es neben den Steuerleitungenmehrere Datenleitungen
Beispiel: Parallele Schnittstelle zumklassischen Anschluss von Druckern
Darüber kann pro Zeiteinheit einkomplettes Byte an Daten übertragenwerden
Vorteil: Hohe GeschwindigkeitNachteil: Es sind viele Leitungen nötig
Das ist bei großen Distanzenkostenintensiv und aufwändig
Anwendung: Lokale Bus-Systeme
Das Bild zeigt die parallele Schnittstelle (25-polig)
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Serielle Datenübertragung Bildquelle: http://www.elektron-bbs.de
Bei serieller Datenübertragungwerden die Bits auf einer Datenleitungnacheinander übertragen
Ein Byte übertragen dauert 8x so langewie bei paralleler Datenübertragung(mit 8 Datenleitungen)
Vorteil: Auch für große Distanzengeeignet, da nur wenige Leitungen nötigNachteil: Geringerer DatendurchsatzAnwendung: Lokale Bus-Systeme undVerbindungen in Computernetzen
Das Bild zeigt die serielle Schnittstelle (25-polig)
Das Bild zeigt die serielle Schnittstelle (9-polig)
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Grundlagen der Computervernetzung Protokolle und Referenzmodelle
Richtungsabhängigkeit der Datenübertragung
SimplexDer Informationstransfer funktioniert nur in einer RichtungNach dem Ende der Übertragung kann der Kommunikationskanal voneinem anderen Sender verwendet werdenBeispiele: Radio, Fernsehen und Funkmeldeempfänger (Pager)
Duplex (Vollduplex)Der Informationstransfer funktioniert in beide Richtungen gleichzeitigBeispiele: Telefon, Netzwerke mit Twisted-Pair-Kabeln, denn diese bietenseparate Leitungen zum Senden und Empfangen
Wechselbetrieb (Halbduplex)Der Informationstransfer funktioniert in beide Richtungen, aber nichtgleichzeitigBeispiele:
Netzwerke auf Basis von Glasfaser- oder Koaxialkabeln, denn hier gibt esnur eine Leitung für Senden und EmpfangenFunknetze mit nur einem Kanal
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Bitrate und Baudrate Bildquelle: http://maggiesfarm.anotherdotcom.com
Bitrate: Anzahl der übertragenen Nutzdaten in Bits pro ZeiteinheitTypischerweise wird in Bit pro Sekunde (Bit/s) gemessen
Baudrate: Anzahl der übertragenen Symbole pro SekundeBaud nennt man auch Schrittgeschwindigkeit oder Symbolrate1 Baud ist die Geschwindigkeit, wenn 1 Symbol pro Sekunde übertragenwirdUrsprünglich gab die Baudrate die Signalisierungsgeschwindigkeit beimTelegrafen an, also die Anzahl der Morsezeichen pro Sekunde
Das Verhältnis zwischen Bitrate und Baudrate hängt vom verwendetenLeitungscode ab
Leitungscode. . .
Der Leitungscode legt in Computernetzen fest, wie Signale auf demverwendeten Übertragungsmedium übertragen werdenDen Leitungscode einer Netzwerktechnologie legt das verwendeteProtkoll der Bitübertragungsschicht festAus Zeitgründen können wir dieses Thema in BSRN nicht behandeln
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Bandbreite und Latenz (1/2)
Entscheidend für die Leistungsfähigkeit eines Computernetzes:Bandbreite (Durchsatz)Latenz (Verzögerung)
Die Bandbreite gibt an, wie viele Bits innerhalb eines Zeitraums überdas Netzwerk übertragen werden können
Bei einem Netzwerk mit einer Bandbreite bzw. Durchsatzrate von1Mbit/s können eine Millionen Bits pro Sekunde übertragen werden
Ein Bit ist somit eine millionstel Sekunde, also 1µs breitVerdoppelt sich die Bandbreite, verdoppelt sich die Bits, die pro Sekundeübertragen werden können
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Grundlagen der Computervernetzung Protokolle und Referenzmodelle
Bandbreite und Latenz (2/2)
Die Latenz eines Netzwerks ist die Zeit, die nötig ist, bis eine Nachrichtvon einem Ende des Netzwerks zum anderen Ende gelangt ist
Latenz = Ausbreitungsverzögerung + Übertragungsverzögerung + Wartezeit
Ausbreitungsverzögerung =Entfernung
Lichtgeschwindigkeit ∗ Ausbreitungsfaktor
Entfernung: Länge der NetzwerkverbindungLichtgeschwindigkeit: 299.792.458m/sAusbreitungsfaktor (Verkürzungsfaktor): Vakuum = 1, TP-Kabel = 0,6, Glasfaser = 0,67, Koaxialkabel = 0,77
Übertragungsverzögerung =Nachrichtengröße
BandbreiteÜbertragungsverzögerung = 0, wenn die Nachricht nur auseinem einzigen Bit besteht
Wartezeiten gegeben sich durch Netzwerkgeräte (z.B. Switche)Diese müssen empfangene Daten vor dem Weiterleiten zwischenspeichern
Wartezeit = 0, wenn es sich bei der Netzwerkverbindung zwischen Sender und Empfänger um eine Direktverbindung handelt
Quelle: Larry L. Peterson, Bruce S. Davie. Computernetzwerke. dpunkt (2008)
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Grundlagen der Computervernetzung Protokolle und Referenzmodelle
Bandbreite-Verzögerung-Produkt
Berechnet das Volumen einer NetzwerkverbindungSignale bewegen sich auf Übertragungsmedien nicht unendlich schnell
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit wird in jedem Fall von derLichtgeschwindigkeit begrenzt und hängt vom Ausbreitungsfaktor(Verkürzungsfaktor) des Übertragungsmediums ab
Das Produkt aus Bandbreite und Verzögerung (Latenz) entspricht dermaximalen Anzahl Bits, die sich zwischen Sender und Empfänger in derLeitung befinden können
Beispiel: Ein Netzwerk mit 100Mbit/s Bandbreite und 10ms Latenz
100.000.000Bits/s× 0, 01 s = 1.000.000Bits
Es befinden sich maximal 1.000.000Bits auf der NetzwerkverbindungDas entspricht 125.000Bytes (ca. 123 kB)
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Grundlagen der Computervernetzung Protokolle und Referenzmodelle
Protokolle
Ein Protokoll ist die Menge aller vorab getroffenen Vereinbarungenzwischen Kommunikationspartnern
Zu den Vereinbarungen gehören:Regeln zum Aufbau und Abbau von VerbindungenArt und Weise der Synchronisation von Sender und EmpfängerMaßnahmen zur Erkennung und Behandlung von ÜbertragungsfehlernDefinition gültiger Nachrichten (Vokabular)Format und Kodierung von Nachrichten
Protokolle definieren. . .die Syntax (= Format gültiger Nachrichten)die Semantik (= Vokabular und Bedeutung gültiger Nachrichten)
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Schichtenmodelle
Kommunikation in Computernetzen ist in Schichtenmodelle unterteiltJede Schicht (Layer) behandelt einen bestimmten Aspekt derKommunikation und bietet Schnittstellen zur darüberliegenden unddarunterliegenden SchichtJede Schnittstelle besteht aus einer Menge von Operationen, diezusammen einen Dienst definierenIn den Schichten werden die Daten gekapselt (=⇒ Datenkapselung)Weil jede Schicht in sich abgeschlossen ist, können einzelne Protokolleverändert oder ersetzt werden, ohne alle Aspekte der Kommunikationzu beeinflussenDie bekanntesten Schichtenmodelle sind. . .
das TCP/IP-Referenzmodell,das OSI-Referenzmodellund das hybride Referenzmodell
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Grundlagen der Computervernetzung Protokolle und Referenzmodelle
TCP/IP-Referenzmodell bzw. DoD-Schichtenmodell
Wurde ab 1970 vom Department of Defense (DoD) im Rahmen desArpanet entwickeltDie Aufgaben der Kommunikation wurden in 4 aufeinander aufbauendeSchichten unterteiltFür jede Schicht ist festgelegt, was sie zu leisten hatDiese Anforderungen müssen Kommunikationsprotokolle realisieren
Konkrete Umsetzung wird nicht vorgegeben und kann unterschiedlich seinDaher existieren für jede der 4 Schichten zahlreiche Protokolle
Nummer Schicht Protokolle (Beispiele)4 Anwendungsschicht HTTP, FTP, SMTP, POP3, DNS, SSH, Telnet3 Transportschicht TCP, UDP2 Internetschicht IP (IPv4, IPv6), ICMP, IPsec, IPX1 Netzzugangsschicht Ethernet, WLAN, ATM, FDDI, PPP, Token Ring
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Grundlagen der Computervernetzung Protokolle und Referenzmodelle
TCP/IP-Referenzmodell – Nachrichtenaufbau
Jede Schicht fügt einer Nachricht zusätzliche Informationen als Headerhinzu
Einige Protokolle (z.B. Ethernet) fügen in der Netzzugangsschicht nichtnur einen Header, sondern auch einen Trailer am Ende der Nachricht anHeader (und Trailer) wertet der Empfänger auf gleicher Schicht aus
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Grundlagen der Computervernetzung Protokolle und Referenzmodelle
Hybrides Referenzmodell
Das TCP/IP-Referenzmodell wird in der Literatur häufig (u.a. beiAndrew S. Tanenbaum) als fünfschichtiges Modell dargestellt
Grund: Es ist sinnvoll, die Netzzugangsschicht in 2 Schichtenaufzuteilen, weil diese völlig unterschiedliche Aufgabenbereiche haben
Dieses Modell ist eine Erweiterung des TCP/IP-Modells und heißthybrides Referenzmodell
Die Aufgaben der einzelnen Schichten werden anhand des hybriden Referenzmodells diskutiert
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Grundlagen der Computervernetzung Protokolle und Referenzmodelle
Bitübertragungsschicht – Physical Layer (siehe Foliensatz 8)
Überträgt die Einsen und NullenPhysischer Anschluss an das NetzUmsetzung (Kodierung) der Daten in Signale
Protokoll und Übertragungsmedium bestimmenu.a.:
Wie viele Bits können pro Sekunde gesendetwerden?Kann die Übertragung in beide Richtungengleichzeitig stattfinden?
Geräte: Repeater, Hub (Multiport Repeater)
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Grundlagen der Computervernetzung Protokolle und Referenzmodelle
Sicherungsschicht – Data Link Layer (siehe Foliensatz 9)
Ermöglicht fehlerfreien Austausch von Rahmenzwischen Netzwerkgeräten in physischen Netzen
Erkennt Übertragungsfehler mit PrüfsummenRegelt den Zugriff auf das Übertragungsmedium(z.B. via CSMA/CD oder CSMA/CA)
Definiert physische Adressen (MAC-Adressen)
Beim Sender: Verpackt die Pakete der Vermittlungsschicht in Rahmen(Frames) und überträgt sie mit der gewünschten Zuverlässigkeitinnerhalb eines physischen Netzes von einem Gerät zum anderenBeim Empfänger: Erkennt die Rahmen imBitstrom der BitübertragungsschichtGeräte: Bridges, Layer-2-Switches(Multiport-Bridges) und Modems verbindenphysische Netze
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Vermittlungsschicht – Network Layer (siehe Foliensatz 10)
Vermittelt (routet) Pakete zwischen logischenNetzen (über physische Netze)
Für dieses Internetworking definiert dieVermittlungsschicht logische Adressen (IPs)Jedes Paket wird unabhängig ans Ziel vermittelt(geroutet) und der Pfad nicht aufgezeichnet
Beim Sender: Verpackt die Segmente derTransportschicht in PaketeBeim Empfänger: Entpackt die Pakete aus denRahmen der SicherungsschichtRouter und Layer-3-Switches verbinden logische Netze
Meist wird das verbindungslose Internet Protocol(IP) verwendet
Andere Protokolle (z.B. IPX) wurden von IPverdrängt
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Transportschicht – Transport Layer (siehe Foliensatz 11)
Transportiert Segmente zwischen Prozessen aufunterschiedlichen Geräten über sog.Ende-zu-Ende-ProtokolleBeim Sender: Verpackt die Daten derAnwendungsschicht in SegmenteBeim Empfänger: Entpackt die Segmente in denPaketen der VermittlungsschichtAdressiert Prozesse mit Portnummern
Sicherungsschicht und Vermittlungsschicht adressieren Netzwerkgerätephysisch und logisch
Verschiedene Protokolle bieten verschiedene KommunikationsformenUDP (User Datagram Protocol): Verbindungslose KommunikationTCP (Transport Control Protocol): Verbindungsorientierte Komm.
Kombination TCP/IP = de-facto Standard für Computernetze
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Anwendungsschicht – Application Layer (siehe Foliensatz 12)
Enthält alle Protokolle, die mitAnwendungsprogrammen (z.B. Browser oderEmail-Programm) zusammenarbeitenHier befinden sich die eigentlichen Nachrichten(z.B. HTML-Seiten oder Emails), formatiertentsprechend dem jeweiligenAnwendungsprotokollBeispiele für Anwendungsprotokolle: HTTP,FTP, SMTP, POP3, DNS, SSH, Telnet
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Ablauf der Kommunikation (1/2)
Vertikale KommunikationNachrichten werden von oben nach unten Schicht für Schicht verpacktund beim Empfänger in umgekehrter Schichtreihenfolge wieder entpacktData Encapsulation (Datenkapselung) und De-encapsulation
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Ablauf der Kommunikation (2/2)
Horizontale KommunikationAuf den gleichen Schichten von Sender und Empfänger werden jeweils diegleichen Protokollfunktionen verwendet
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OSI-Referenzmodell
Einige Jahre nach dem TCP/IP-Referenzmodell (1970er Jahre) wurdedas OSI-Referenzmodell ab 1979 entwickelt
1983: Standardisiert von der Intern. Organisation für Normung (ISO)OSI = Open Systems Interconnection
Der Aufbau ist dem TCP/IP-Referenzmodell ähnlichDas OSI-Modell verwendet aber 7 Schichten
Im Gegensatz zum hybridem Referenzmodell sind die Aufgaben derAnwendungsschicht beim OSI-Referenzmodell auf 3 Schichten aufgeteilt
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Grundlagen der Computervernetzung Protokolle und Referenzmodelle
Sitzungsschicht – Session Layer
Kontrolliert die Dialoge (Verbindungen) zwischen ProzessenLegt fest, welcher Teilnehmer als nächstes senden darf
Ermöglicht Kontrollpunkte, die in längeren Datenübertragungen zurSynchronisierung eingebaut werden können
Beim Verbindungsabbruch kann zum letzten Kontrollpunkt zurückgekehrtwerden und die Übertragung muss nicht von vorne beginnen
Beispiele für Protokolle mit den geforderten Fähigkeiten: Telnet zurFernsteuerung von Rechnern und FTP zur Übertragung von Dateien
Diese können aber auch der Anwendungsschicht zugeordnet werdenDie Anwendungsschicht enthält die Protokolle, die dieAnwendungsprogramme verwenden
FTP und Telnet werden direkt von den Anwendungsprogrammenverwendet und nicht von abstrakteren Protokollen in höheren Ebenen
Darum ist es sinnvoller die Protokolle der Sitzungsschicht derAnwendungsschicht zuzuordnen
Die Sitzungsschicht wird in der Praxis kaum benutzt, da alle dieser Schichtzugedachten Aufgaben heute Anwendungsprotokolle erfüllenProf. Dr. Christian Baun – 7. Foliensatz Betriebssysteme und Rechnernetze – FRA-UAS – SS2018 25/27
Grundlagen der Computervernetzung Protokolle und Referenzmodelle
Darstellungsschicht – Presentation Layer
Enthält Regeln zur Formatierung (Präsentation) der NachrichtenDer Sender kann den Empfänger informieren, dass eine Nachricht ineinem bestimmten Format (z.B. ASCII) vorliegt, um die eventuell nötigeKonvertierung beim Empfänger zu ermöglichenDatensätze können hier mit Feldern (z.B. Name, Matrikelnummer. . . )definiert werdenArt und Länge der Datentypen können definiert werdenAuch Kompression und Verschlüsselung sind der Darstellungsschichtzugedachte Aufgabenbereiche
Die Darstellungsschicht wird in der Praxis kaum benutzt, da alle dieserSchicht zugedachten Aufgaben heute Anwendungsprotokolle erfüllen
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Grundlagen der Computervernetzung Protokolle und Referenzmodelle
Fazit zu den Referenzmodellen
Fazit: Das hybride Referenzmodell bildet die Funktionsweise vonComputernetzen realistisch ab
Es unterscheidet die Bitübertragungsschicht und SicherungsschichtDas ist sinnvoll, weil die Aufgabenbereiche so unterschiedlich sind
Es unterteilt die Anwendungsschicht nichtDas wäre auch nicht sinnvoll, weil es in der Praxis nicht stattfindetFunktionalitäten, die für Sitzungs- und Darstellungsschicht vorgesehensind, erbringen heute die Protokolle und Dienste der Anwendungsschicht
Es kombiniert die Vorteile des TCP/IP-Referenzmodells und desOSI-Referenzmodells, ohne deren jeweilige Nachteile zu übernehmen
Prof. Dr. Christian Baun – 7. Foliensatz Betriebssysteme und Rechnernetze – FRA-UAS – SS2018 27/27